一种低剖面串行馈电波束可重构天线

1.本发明涉及一种低剖面串行馈电波束可重构天线，属于微波天线工程技术领域。


背景技术：

2.天线是无线通信系统中的关键器件，天线的特性直接决定着整个通信系统的性能。现代通信系统对于低剖面、低成本、波束可重构天线有着强烈的需求。波束可重构天线主要有机械扫描天线和相控阵天线两种形式。机械扫描天线是最早的波束可重构天线形式，由伺服系统和天馈线系统两部分组成。机械扫描天线工作过程中，天线波束指向始终和天线阵面保持相对静止，通过后端的伺服系统控制天线姿态实现波束扫描。此类天线工作原理相对简单，设计难度较低，但机械伺服系统体积和重量较为庞大，功耗较高，且波束扫描速度慢。相比于机械扫描天线，相控阵天线具有扫描速度快、通信链路建立时间短、可实现多目标跟踪等优点，传统相控阵天线通常由成百甚至上千个辐射单元组成，并且每个辐射单元都配装有一套独立的发射/接收(t/r)组件。然而，正是因为大量t/r组件的存在，导致相控阵造价高昂，同时复杂的散热结构不但造成相控阵天线体积庞大、重量重，且影响天线的电磁特性。反射阵和透射阵天线与相控阵天线相比，反射阵和透射阵天线虽然不需要复杂的功率分配网络，规避了大量t/r组件的使用，有效降低了天线成本，但是天线中馈电喇叭和天线阵面需要保持一定的距离，使得天线整体剖面明显提高，难以满足现代通信系统对于天线低剖面、小型化、集成化的需求。


技术实现要素：

3.本发明针对上述问题，提出了一种体积小巧、价格低廉的波束可重构天线，可以大幅提高现代无线通信、雷达、导航系统的性能。
4.本发明的技术方案：
5.一种低剖面串行馈电波束可重构天线，包括数个呈阵列形式布置的结构单元，所述的结构单元自上至下包括依次层叠的金属辐射层、上层介质基板、金属地板层、介质基板粘合层、下层介质基板和金属馈电层；
6.以上层介质板的长度方向为y轴方向，宽度方向为x方向，高度方向为z轴方向。
7.进一步限定，该天线由结构单元沿x轴方向平铺串联构成，结构单元的数量为3个以上。
8.进一步限定，结构单元的长度和宽度分别为py和px，py的取值范围为0.3λ
0-0.7λ0，px的取值范围为0.1λ
0-0.35λ0，其中λ0为中心工作频率自由空间波长。
9.进一步限定，金属辐射层由设置在上层介质基板上表面的金属贴片、调控元件和馈电点组成，一对金属贴片沿y轴上下对称设置在上层介质基板的上表面，两个金属贴片的远距离边缘通过接地金属过孔与金属地板连接；馈电点位于两金属贴片近距离边缘之间，金属地板存在镂空结构，馈电点通过馈电金属过孔与金属馈电层连接，且馈电金属过孔穿过金属地板上的镂空结构，并且馈电点分别通过调控元件与两个金属贴片连接。
10.更进一步限定，金属贴片为矩形、梯形、圆形或椭圆形。
11.更进一步限定，调控元件为pin二极管、变容二极管，场效应管，rf-mems或液晶开关。
12.进一步限定，金属馈电层由设置在下层介质基板下表面的微带传输线、枝节馈电线、直流馈线、电容和电感组成，枝节馈电线的一端通过电容与微带传输线连接，另一端通过馈电金属过孔与金属辐射层的馈电点连接，并且枝节馈电线还通过电感与直流馈线连接。
13.更进一步限定，电容为集总元器件或呈现电容效应的微波结构。
14.更进一步限定，呈现电容效应的微波结构为微带缝隙、插指微带结构等。
15.本发明具有以下有益效果：本技术通过调节每个辐射单元的辐射相位，从而获得动态波束可重构能力，且该天线采用了串行馈电网络与传统的透射阵相比极大的减小天线剖面。此外，该天线还具有集成度高、馈电损耗小、辐射效率高、波束扫描速度快、结构简单、重量轻、易共形、成本低等优点。
附图说明
16.图1为低剖面串行馈电波束可重构天线分层结构示意图；
17.图2为金属辐射层结构示意图；
18.图3为金属馈电层结构示意图；
19.图4为结构单元的剖视图；
20.图5为实施例1的阵列远场扫描结果图；
21.图中1-金属辐射层，2-上层介质基板，3-金属地板层，4-介质基板粘合层，5-下层介质基板，6-金属馈电层，7-接地金属过孔，8-金属贴片，9-1-第一调控元件，9-2-第二调控元件，10-馈电点，11-微带传输线，12-枝节馈电线，13-直流馈线，14-电容，15-电感，16-馈电金属过孔，17-镂空结构。
具体实施方式
22.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
23.下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
24.实施例1：
25.工作频率为5.45ghz的低剖面串行馈电波束可重构天线：，
26.该天线由31个的结构单元沿x轴方向平铺串联构成。如图1所示，结构单元包括依次层叠的金属辐射层1、上层介质基板2、金属地板层3、介质基板粘合层4、下层介质基板5和金属馈电层6。结构单元的宽度px为11.4mm，长度py为60mm。天线剖面厚度仅为0.046λ0。
27.上层介质基板2为rogers rt5880，厚度为1.57mm。下层介质基板5为rogers rt5880，厚度为0.787mm。介质基板粘合层4为rogers ro4450f，厚度为0.1mm。
28.如图2所示，金属辐射层1由设置在上层介质基板上表面的金属贴片8、第一调控元件9-1、第二调控元件9-2和馈电点10组成，一对矩形金属贴片8沿y轴上下对称设置在上层介质基板2的上表面，两个金属贴片8的远距离边缘通过接地金属过孔7与金属地板层3连接；馈电点10位于两金属贴片8近距离边缘之间，金属地板层3存在镂空结构17以防止馈电金属过孔16与金属地板层3形成短路，馈电点10通过馈电金属过孔16与金属馈电层6连接，且馈电金属过孔16穿过金属地板上的镂空结构17，并且馈电点10通过第一调控元件9-1和第二调控元件9-2分别与两个金属贴片8连接。矩形的金属贴片8的长w
x
为9.5mm，宽wy为4mm。第一调控元件9-1和第二调控元件9-2为可调控微波电路通断的pin二极管，型号为macom madp-000907-14020。
29.如图3所示，金属馈电层6由设置在下层介质基板5下表面的微带传输线11、枝节馈电线12、直流馈线13、电容14和电感15组成，枝节馈电线12的一端通过电容14与微带传输线11连接，另一端通过馈电金属过孔16与金属辐射层1的馈电点10连接，在枝节馈电线12上加载电容14的目的是防止直流信号进入微带传输线11从而使第一调控元件9-1和第二调控元件9-2短路，该电容14可以是集总元器件也可以是呈现电容效应的微波结构，并且枝节馈电线12的另一端还通过电感15与直流馈线13连接，直流馈线13上加载的电感15可以形成微波断路抑制微波信号进入直流偏置网络，直流馈线13为第一调控元件9-1和第二调控元件9-2提供控制电压信号。电容14的集总电容电容值为2.1pf。电感15值为8nh。微带传输线11的宽度w1为2.6mm。枝节馈电线12的长度l1为11mm，宽度w2为0.8mm。
30.直流信号通过直流馈线控制第一调控元件9-1和第二调控元件9-2的通断；当第一调控元件9-1“关”、第二调控元件9-2“开”(此处“关”为射频断路和“开”为射频短路)，当第一调控元件9-1“开”、第二调控元件9-2“关”(此处“关”为射频断路和“开”为射频短路)，这两种状态工作模式可以使结构单元的辐射相位产生180
°
的相位差。
31.假设上述微带传输线中的参考波为通过金属辐射层的相位调制转换成的辐射波为当需要实现的辐射波确定后，可以通过以获得金属辐射层的相位响应根据相位响应可以获得调控元件“开”和“关”的工作状态，然后通过直流馈线控制调控元件以实现需要实现的辐射波
32.对上述天线进行远场仿真，结果图4所示，由图4可知，该低剖面串行馈电波束可重构天线可以实现
±
60
°
的波束扫描，在扫描范围内最大实际增益为13.0dbi，最小增益为10.2dbi。
33.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。